股骨干骨折的接骨板內固定生物力學實驗設計

阿孜古麗·克熱木, 阿依古麗·喀斯木, 滕 勇, 帕提古麗·艾合麥提, 烏日開西·艾依提

(1. 新疆大學 機械工程學院, 新疆 烏魯木齊 830047；2. 解放軍新疆軍區總醫院 全軍骨科中心脊柱外科, 新疆 烏魯木齊 830000)

生物力學研究力作用下的生物效應,包括生物體整體到各個器官生長、消亡和運動中的力學問題,特別是與人體有關的力學問題[1-6]。在研究生階段,學習生物力學課程的學生來自不同的專業。工科學生雖然有材料力學的基礎,但材料力學試驗用標準試樣進行分析,對骨骼固定系統等實際的生物力學問題沒有涉及。醫科的學生知道類似于骨折內固定接骨板及螺釘會斷裂案例,但不清楚其中的力學原理。

對于骨折內固定系統的力學分析,多采用萬能力學試驗機施加壓力,用靜態應變儀采集貼在骨或內固定系統上的應變片的應變,通過計算得到測點應力[7-11]。這種方式由于測點分散,導致測得的數據有限,不能反應被測對象的整體狀態。本實驗以股骨干骨折的接骨板內固定方式為研究對象,設計了一個綜合性的生物力學實驗,在傳統靜態應變儀采集應變片數據的基礎上,結合三維數字散斑動態應變測量系統來分析接骨板的變形、接骨板及骨上的應力分布特點。

1 股骨干骨折模型的建立

不同的骨折、不同的固定方式,其受力特點不相同。為了使學生深入了解這種多樣性,本實驗的骨折模型采用真實的骨折病例,通過股骨骨折患者的CT數據,重構了的骨折的股骨三維CAD模型(見圖1(a)),再利用3D打印技術制作出1∶1的骨折股骨的實物模型。采用FDM(fused deposition modeling-熔融沉積成型)方式打印股骨模型,材料為PLA(聚乳酸),填充率設為100%,打印出的骨折模型如圖1(b)所示。利用病人的CT數據重建骨折三維模型,通過3D打印方式能夠制作多個相同的骨折模型,可以測試多種不同的固定方案。

圖1 股骨干骨折模型

2 實驗方案

內固定系統的失效主要是接骨板與螺釘的變形與斷裂,原因主要是疲勞破壞與塑性變形。實驗針對垂直壓力作用下的接骨板的變形、應力,以及股骨干的應力進行了測試分析。實驗流程見圖2。

圖2 實驗流程

2.1 接骨板變形測量

采用XJTUDIC三維數字散斑動態應變測量分析系統直接測量接骨板的外側表面,通過相機拍攝的被測物變形過程中的序列散斑圖像,快速檢測被測物的全場三維坐標、位移、應變數據,測量結果由三維彩色顯示。實驗時加載過程平穩、緩慢,采集模式設為低速采集。觸發模式為軟觸發,觸發間隔100 ms。

2.2 接骨板與骨的應變測量

選用的接骨板為8孔不銹鋼接骨板,在接骨板的內側分別在2個螺釘孔中間粘貼應變片,共7個應變片,如圖3(a)所示。在骨折模型與接骨板內側相對應的表面,在所有孔的兩側均貼有應變片,共計8片,如圖3(b)所示。

圖3 接骨板和股骨干的螺釘孔和應變片的位置

應變片均貼在三維數字散斑動態應變測量分析系統無法測到的被接骨板遮擋的區域。骨折模型上的孔與接骨板上的孔對應,是固定接骨板的螺釘穿過骨干形成的。通過應變片測得的應變值即可計算出對應的應力值。應變的測量采用DH3820高速靜態應力應變測試分析系統,采集頻率為 100 Hz,采集模式為連續采集,應變片為1/4橋方式連接,應變片為BX120-0.5AA,柵長×柵寬為0.5 mm×0.5 mm。

2.3 螺釘的分布方案

實際手術時并不需要在接骨板上所有的孔上都裝上螺釘,過于堅強的固定方式會導致應力遮擋效應,因此骨科醫生根據經驗確定所需螺釘的數量及安裝位置。揭示螺釘數量和位置的對接骨板、螺釘的變形、應力等的影響規律是此實驗的主要目的。

實驗中接骨板的中間部分對應在骨折斷口處,上下各分布4個螺釘孔,第4個為加壓型螺釘孔(長孔)不上螺釘,第5個螺釘孔(H4)因太接近斷口也不上螺釘。實驗中采用的方案如表1所示,螺釘編號1—3(對應H1、H2、H3孔)在骨折斷口上側部分,螺釘編號4—6(對應H5、H6、H7孔)在骨折斷口下側部分,黑色圓點表示該位置有螺釘,空白表示該位置沒有螺釘。

表1 螺釘分布方案

圖4為本實驗系統的組成示意圖,裝有接骨板的骨折模型下端的膝關節部分利用丙烯酸樹脂固定在底座中,骨折模型上端的股骨頭部分定位在自主研發的壓力實驗裝置壓板下表面的錐形孔中,股骨骨干軸線根據人體解剖學的股骨角設為80°。

圖4 實驗系統的組成

3 實驗結果與分析

通過旋轉加壓螺桿向骨折模型頂部垂直施加150 N的壓力,壓力大小通過壓力傳感器顯示。施壓前5 s啟動三維數字散斑動態應變測量分析系統與靜態應變測量系統采集數據,施壓至150 N后保持5 s后停止采集。

3.1 實驗結果

3.1.1 接骨板的變形

圖5為通過三維數字散斑動態應變測量分析系統得到的接骨板的變形圖像。沿接骨板的縱向設置一條路徑,并輸出不同方案的路徑曲線,即可得到接骨板在壓縮載荷下的變形曲線,如圖6所示。

圖5 接骨板的變形圖像

3.1.2 接骨板與骨的應力

圖7為接骨板內側7個應變片(F1—F7)處對應的應力測試結果,圖8為股骨骨折模型上的8個應變片(B1—B8)處對應的應力測試結果。

3.2 分析與討論

3.2.1 接骨板的變形

從圖6可以看出：方案2的接骨板變形最大,為0.33 mm；方案3的接骨板變形最小,為0.14 mm；方案1、方案4—方案7的變形相差不大,說明接骨板中部的2個螺釘對接骨板的變形影響顯著；方案3的接骨板變形與其他方案中接骨板向外側彎曲成拱形不同,呈現出S形,方案3中沒有第2和第5個螺釘,較長的跨度導致了其在壓力作用下使上半部內凹下半部外凸呈現出S形：在方案7中也沒有第2個螺釘,圖6(b)中也反映出接骨板上半部與第二個螺釘孔對應的部分也有輕微的內凹現象。

圖6 接骨板的縱向變形曲線

圖7 接骨板內側的應力

3.2.2 接骨板的應力

從圖7與圖8可以看出：螺釘的位置與數量對接骨板的應力分布有明顯的影響。接骨板在骨折斷口上側的部分應力明顯較高,且均為壓應力,下側部分應力較小。方案3與其S形的變形相對應,在下側部分有較大的拉應力。采用每側2個螺釘的方案2、3、4,其應力值總體上高于其他方案,其中方案2的應力值最大,這是因為螺釘數量較少的情況下不利于應力的分散。方案6的應力分布均勻且應力值很小。上述結果與股骨骨折模型的固定方式有關,骨折斷口下側的部分是固定約束,而骨折斷口上側股骨頭處為球形,自由度大,在壓力載荷作用下接骨板的上側部分更容易產生大的變形從而造成大的壓應力。

3.2.3 股骨干的應力

股骨干上的應變片被貼于兩螺釘孔的中間,該位置上的應力實際上是孔兩側的螺釘施加力的結果,因此可以通過骨干上的應力根據作用力與反作用力的關系反推出相鄰螺釘的受力特點。從圖8可以看出,在骨折斷口下側所測得的壓應力值很大,明顯高于接骨板上測得的應力?？梢酝茢喑龉钦蹟嗫谙聜鹊穆葆數膽艽?總體上越靠下的螺釘的應力越大,而且骨折斷口兩側各有兩螺釘的方案的最底部的螺釘的應力最大。采用上三下二(方案5)和上二下三(方案6)的兩種方案在骨干上的應力明顯小于其他方案,及螺釘的應力也相應教學。

圖8 股骨干的應力

綜上所述,螺釘的數量與分布對骨、接骨板、螺釘構成的內固定系統的力學性能有顯著的影響。當螺釘數量較少時,在壓力載荷作用下會造成接骨板的彎曲變形增大,若壓力載荷超過屈服極限,則會導致接骨板的塑性彎曲變形；若壓力載荷較小未達到屈服極限時,在接骨板變形最大的區域有可能經過長時間的彎曲與恢復產生疲勞斷裂。骨折斷口下側的螺釘的應力明顯高于上側的螺釘,因過載導致塑性變形或疲勞斷裂的可能性大。因此在股骨內固定手術后進行康復鍛煉時,患者需要隨著骨折的愈合過程逐漸增加鍛煉力度,以避免接骨板和螺釘的變形、斷裂。

4 結論

(1) 接骨板上采用的螺釘的數量與分布對內固定系統的力學性能有顯著的影響。當螺釘數量較少時,在壓力載荷作用下會造成接骨板的彎曲變形增大,增加了接骨板塑性變形及疲勞斷裂的可能性。骨折斷口下側的螺釘的應力明顯高于上側的螺釘,因過載導致塑性變形及疲勞斷裂的可能性大。根據綜合分析七種方案的變形與應力特點,方案6的綜合性能優于其他方案。

(2) 通過此綜合性的生物力學實驗,學生能夠掌握三維數字動態散斑應變測量和靜態應變測量方法。了解接骨板的固定方式,螺釘的數量與分布對骨、接骨板、螺釘構成的內固定系統的力學性的影響規律。提高了學生利用Origin、Excel、AutoCAD等軟件來處理、分析問題、繪制圖表等能力,大大激發了學生的科研積極性。